静电纺丝技术以及静电纺丝纳米纤维在不同领域的应用本文内容主要参考了夏幼南教授的一篇综述文章[1],本人只是自己语言重新组织了一下他的文章内容，并在此基础上加入了一些个人的理解。基于上述原因，在此向夏幼南老师表示特别感谢。
1. 纳米静电纺丝技术发展的历史
静电纺丝技术又简称静电纺丝或者电纺丝，其发展历史最早可以追溯到1600年,William Gilbert 在存在外部电场的情况下观察到了一个锥形水滴[2]。随后在1887年，Charles Boys 利用一种粘弹性的液体通过静电纺丝制备出了纳米纤维[1]。1938年，静电纺丝纳米纤维被用于制造空气过滤装置的过滤网芯，静电纺丝纳米纤维首次得到了应用[1]。从1938年至今，静电纺丝技术不断发展并逐渐走向成熟，如今已经被应用在了各个领域，极大的推动了科学研究和工业生产的进步与发展[3,4]。
2. 纳米静电纺丝技术
2.1. 静电纺丝技术的原理
图1. 静电纺丝装置示意图[5]
静电纺丝技术是指聚合物熔体或者溶液在高压静电场的作用下形成纤维的
过程。静电纺丝技术装置主要由三部分组成，分别是高压电源，喷丝头以及接收板（图1.）。其中电源可以是直流电源，也可以是交流电源，不同类型的电源对纳米纤维的形成有一定的影响，这里不再详细介绍。喷丝头可以使用带有注射器针头的塑料管、金属管及玻璃管等，喷丝嘴一般为0.1~1 mm。接收板用来接收经溶剂挥发或者熔体固化后所形成的聚合物，一般采用导电金属板、硅片及导电玻璃等。具体使用过程中，金属板表面要用锡纸、纺布等包裹起来，方便转移纳米纺丝并防止接收板被污染或者被弄脏[6]。
电源的两极分别接在喷丝头和接收器上，在高压静电纺丝的过程中，溶液或者熔融高分子表面带上了电荷并产生了电场力，溶液的表面张力与电场力方向相反。随着电压的增大，电场力大于表面张力时，带电溶液从喷丝口喷出，从而形成喷流。喷流在空气中运动的过程中，经溶剂挥发，降温冷却等过程逐渐固化，最后被收集于接收器上。
图2. 静电纺丝纳米纤维所受横向力示意图[7]
图3. 纳米纤维弯曲运动示意图[8]
溶液最开始从喷丝口喷出时，进行的是直线运动，但是表面张力和粘滞力会阻碍其向前运动，加速度逐渐减小，与此同时，纤维直径逐渐变细。当加速度逐渐减小到0或某一个常数时，任何微小扰动都会，任何微小扰动都会破坏纤维的直线运动。由于溶液表面电荷之间存在排斥作用，出现了不稳定的微扰段区域，微扰段上方的电荷对其施加了一个向下和向外的排斥力F DO （图2.），同时，微扰段下方的电荷对其施加了一个向上和向外的排斥力F UO, 两种力产生了一个横向的合力F R，使纳米纤维发生了弯曲[1, 7]。随着纤维逐渐伸长，又会出现第二个不稳定的弯曲阶段，然后是第三个、第四个，直至纳米纤维固化，才不再出现下一级的弯曲（图3.）。
2.2. 静电纺丝技术所用的材料
静电纺丝技术可选用的材料非常多，但主要分为四大类，分别是有机高分子，溶胶凝胶物质，部分小分子以及高分子和无机复合材料。
2.2.1. 有机高分子
静电纺丝常用的材料就是有机高分子，其主要分为两大类。一类是可以溶解在某些溶剂当中，形成溶液的高分子，这也是目前应用最多的一类，因为操作过程相对简单，对设备要求比较比，而且纺出的纳米纤维更细；另一类是无法溶解在溶剂当中，但可以通过加热变成熔融物，这就需要在喷针外围加一个加热装置，如图4。通过对高分子进行加热使其熔融，这种方法经常适用于某些具有特定需要的材料。
图4. 熔融物喷丝装置示意图[9]
2.2.2. 溶胶凝胶物质
由分散相(悬浮颗粒)和连续相(悬浮液)组成的胶体，当形成颗粒内部形成足够的缠结时，射流为连续结构，也可以用于静电纺丝[1]。
2.2.
3. 小分子溶液
当链缠结足够大时，小分子也可以直接通过静电纺丝得到纳米纤维。关键因素是小分子之间要存在足够强的分子内相互作用，比如在高度浓缩的溶液或纯熔体中形成的自组装结构。
2.2.4. 复合材料
复合材料的应用也非常的广泛，经常利用一些有机高分子与无机纳米颗粒或者纳米线等复合在一起，纺出一些功能化的纳米纤维。比如用聚乙烯醇包覆二氧化硅颗粒（图5. 左），聚乙烯吡咯烷酮包覆银纳米线（图5. 右）。
图5. 聚乙烯醇包覆二氧化硅颗粒（左）[10]以及聚乙烯吡咯烷酮包覆银纳米线（右）电镜图[11] 2.3. 纳米静电纺丝技术常用的操作方法
2.3.1. 近场和远场模式
近场模式和远场模式主要区别有两个，一个是喷丝头到接收器的距离不同，另一个是电源电压的不同。在远场模式中，喷丝头到接收器的距离为5~15 cm, 电源电压大约在10~20 KV之间[12]。使用远场模式进行纺丝时，可以得到比近场模式更细的纳米纤维，纺丝速度也更快。但是无法精准地控制纳米纤维在接受板上的位置。在近场模式中，喷丝头到接收器的距离为500 um~5 cm, 电源电压
大约在0.6~3 KV之间。使用近场模式纺出的纳米纤维虽然直径相对于远场模式来说比较大，但是可以对纳米纤维的位置进行精准控制，得到各种各样的形状和排布（图6.）[13-15]。
图6. 近场模式下的各种纺丝图案[16]
2.3.2. 单针与多针喷丝头
由于单针喷丝头的喷丝效率低、产量小，人们又研制了出了多针型喷丝头，类型多种多样，有多针并排的、金字塔型的以及同轴多针的等等，由于纳米纤维之间存在横向的静电排斥力，因此纤维与纤维之间不会出现黏连现象。其中，同轴多针型的喷丝头可以制备出多层结构的纳米纤维，还可以制备空心的纳米纤维，灵活度高，产品多样化。使用多针喷丝头可以大大提高生产效率，节约生产成本，无论对科研还是企业生产都意义重大。
2.3.3. 固体接收板与液体接收装置
对于具有可分辨导电性的非均匀基片(即金属和绝缘体)的接收器，它们会产生朝向金属表面的扭曲电场。因此，纳米纤维将优先沉积在金属区域的表面，并延伸到绝缘区域，最终形成图案化的纳米纤维垫。通过设计不同形貌的非均匀接收器，可以制备出不同形貌的纳米纤维垫。
除了固体接收板，还可以选用液浴作为接收装置。对于一些冷却较慢的纳米
纤维，可以利用水浴接收的方式，加快冷却固化速度，并且提高分散性；对于纳米纤维中水分蒸发过慢的情况，可以采用乙醇浴进行接收，利用乙醇带走纤维中的水分，加快固化速度。
3. 静电纺丝纳米纤维的“智能”特性
通过静电纺丝技术，可以得到一些有特殊性能的纳米纤维材料，诸如应激响应性、形状记忆性、自清洁性、自愈合性、“活性”等等，下面分别做一下简要介绍。
3.1. 应激响应性
有应激响应的聚合物在外部刺激的触发下进行构象和/或化学变化，响应时间与刺激的速度成反比。当刺激反应的聚合物通过静电纺丝纺成纳米纤维时，应激响应速度会大大提升。这种改进主要归功于纳米纤维垫的高度多孔结构和大的比表面积，以及小直径等因素。各种类型的应激响应型纳米纤维已经被报道，如细胞片收获和控制释放等应用。
3.2. 形状记忆性
具有形状记忆效应的纳米纤维能够在外部刺激下从变形状态（临时形状）转变为原始状态（永久形状）。具有形状记忆效应的纳米纤维垫已经被广泛应用于组织工程和过滤等领域。例如，纳米纤维垫可以通过形状改变来控制细胞的生长，模拟人体动态环境的变化[17, 18]。
3.3. 自清洁性
基于电纺纳米纤维的清洁涂层具有柔软和自支撑等特性。纳米纤维的化学组成、表面润湿性能都可以被很好的调控。现如今基于电纺纳米纤维的涂层已经应用在了各个领域。比如医疗器具的防污处理，生产防护服等。
3.4. 自愈合性
一些工程材料往往容易受到裂缝形式的破坏，因此研制能够自我修复损伤从而恢复其原始性能的自愈材料是非常重要的。其中一种方法是将液体愈合剂封装在壳鞘纳米纤维中，然后将纳米纤维嵌入到材料基体中。当裂纹出现时，愈合剂
就会流出并修复断裂的纳米纤维。
3.5. “活性”
所谓的“活性”纳米纤维，其实是利用同轴多针类型的喷丝头，将一些细菌、细胞、病毒等连同培养液一起封装在壳鞘纳米纤维中。。这些“活性”纳米纤维在各种生物技术中都起到了十分重要的作用，比如微生物燃料电池、水去污膜、细胞结构分析等。
4. 静电纺丝纳米纤维的应用
通过静电纺丝技术制备的纳米纤维由于具有多种优异的性能，已经得到了非常广泛的应用，常见的应用方向有：空气过滤装置的设计制造，污水净化处理，重金属粒子的回收，催化领域，各类电池的研究，发光器件，生物应用等等。在未来，静电纺丝纳米技术还会发挥更大的作用，推动科学研究以及人类社会的不断发展。
5. 参考文献
[1] Jiajia Xue, Tong Wu, Yunqian Dai, Younan Xia. Electrospinning and Electrospun Nanofibers: Methods, Materials, and Applications. Chem. Rev. 2019 119 5298?5415.
[2] Gilbert, W. De Magnete; Courier: New York, 1958.
[3] Li, D.; Wang, Y.; Xia, Y. Electrospinning of Polymeric and Ceramic Nanofibers as Uniaxially Aligned Arrays. Nano Lett. 2003, 3, 1167?1171.
[4] Theron, A.; Zussman, E.; Yarin, A. Electrostatic Field?Assisted Alignment of Electrospun Nanofibres. Nanotechnology 2001, 12, 384?390.
[5] Xue, J.; Xie, J.; Liu, W.; Xia, Y. Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 1976?1987.
[6] 王策，卢晓峰等；有机纳米功能材料——高压静电纺丝技术与纳米纤维；科学出版社；2011.
[7]Reneker, D. H.; Yarin, A. L. Electrospinning Jets and Polymer Nanofibers. Polymer 2008, 49, 2387?2425.
[8] Reneker, D. H., Fong, H., Eds. Polymeric Nanofibers; American Chemical Society: Washington, DC, USA, 2006; DOI: 10.1021/bk-2006-0918.
[9] Brown, T. D.; Dalton, P. D.; Hutmacher, D. W. MeltElectrospinning Today: An Opportune Time for an Emerging Polymer Process. Prog. Polym. Sci. 2016, 56, 116?166.
[10] ) Jin, Y.; Yang, D.; Kang, D.; Jiang, X. Fabrication of NecklaceLike Structures via Electrospinning. Langmuir 2010, 26, 1186?1190.
[11] Zhang, C. L.; Lv, K. P.; Hu, N. Y.; Yu, L.; Ren, X. F.; Liu, S. L.; Yu, S. H. Macroscopic-Scale Alignment of Ultralong Ag Nanowires in Polymer Nanofiber Mat and Their Hierarchical Structures by Magnetic-Field-Assisted Electrospinning. Small 2012, 8, 2936?2940.
[12] Huang, Y.; Bu, N.; Duan, Y.; Pan, Y.; Liu, H.; Yin, Z.; Xiong, Y. Electrohydrodynamic Direct-Writing. Nanoscale 2013, 5, 12007?12017.
[13] Fuh, Y. K.; Hsu, H. S. Fabrication of Monolithic Polymer Nanofluidic Channels via Near-Field Electrospun Nanofibers as Sacrificial Templates. J. Micro/Nanolithogr., MEMS, MOEMS 2011, 10, 043004.
[14] Wang, X.; Zheng, G.; Xu, L.; Cheng, W.; Xu, B.; Huang, Y.; Sun, D. Fabrication of Nanochannels via Near?Field Electrospinning. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2012, 108, 825?828.
[15] Chang, J.; Liu, Y. M.; Heo, K.; Lee, B. Y.; Lee, S. W.; Lin, L. W. Direct?Write Complementary Graphene Field Effect Transistors and Junctions via Near?Field Electrospinning. Small 2014, 10, 1920?1925.
[16] Zheng, G.; Li, W.; Wang, X.; Wu, D.; Sun, D.; Lin, L. Precision Deposition of a Nanofibre by Near?Field Electrospinning. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010, 43, 415501.
[17] Tseng, L. F.; Mather, P. T.; Henderson, J. H. Shape-MemoryActuated Change in Scaffold Fiber Alignment Directs Stem Cell Morphology. Acta Biomater. 2013, 9, 8790?8801.
[18] Wang, J.; Quach, A.; Brasch, M. E.; Turner, C. E.; Henderson, J. H. On-Command on/off Switching of Progenitor Cell and Cancer Cell Polarized Motility and Aligned Morphology via a Cytocompatible Shape Memory Polymer Scaffold. Biomaterials 2017, 140, 150?161.
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 * (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米。介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米 纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:0367-6358(2005)05-313-04 Electrospinning Technique and Its Application SHI Q-i song, YU Jian -xiang, GU Ke -zhuang, MA Chun -bao, LI U Ta-i qi * (De partment of Mate rial Scie nce and Enginee ring ,Be ijing Inst itute o f Petro -c he mic al Tec hnology ,Bei j ing 102617,China) Abstract :Electrospinning is a new technique,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper,the theory of electrospinning technique,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique,such as the preparation of micro nano tubes with controlled lengths and super -purification filtering materials,was reviewed. Key words :nanometer material;nanofiber;electrospinning;application 收稿日期:2003-11-14;修回日期:2004-01-12 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR -016002)作者简介:师奇松(1977~),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E -mail:liutaiqi@https://www.doczj.com/doc/7c12005952.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的方法 [1-3] 。 1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维。而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是Taylor 锥。当电场力
静电纺纳米纤维与药物控制释放 陈义旺博士、教授、博士生导师、洪堡学者。南昌大学化学系主任，理学院副院长。 摘要 将抗肿瘤药物通过静电纺丝的方法装载到纳米纤维中以实现药物的控制释放，载药纳米纤维具有较低的药物突释效应，延长药物释放时间，并且从纳米纤维中缓释的抗肿瘤药物能很好地抑制HepG-2细胞的生长。负载抗肿瘤药物的电纺纳米纤维膜纤维能很好的应用于药物缓释系统，对肿瘤进行定位治疗及癌症手术后的化疗有很好的应用前景。 药物的控制释放一直是药物治疗领域中的重要课题。纳米纤维具有纵横交错的纳米孔结构、尺寸可控性好、比表面积大，是一种良好的新型载药系统；纳米纤维是封装药物的理想材料，它不但能将固体药物以颗粒形式封装入纤维内，还可以将液体药物以双层纤维或链珠状纤维形式进行封装[1,2]。因此，纳米纤维及其复合材料在药物控释系统、组织工程支架、伤口敷料等领域均得到了广泛的应用[3,4]。 研究内容 1.溶液电纺或乳液电纺PEG-PLLA/明胶复合纤维纳米纤维担载亲水/疏水药物控制释放及抗肿 瘤活性研究[5-7]应用。PEG-PLLA纳米纤维作为大环内酯类抗生素药物布雷菲德菌素A（BFA）的控制释放系统，用HPLC测定药物BFA在PBS溶液中的释放曲线，结果表明药物可以长时间的控制释放。用MTT法对含有3%，6%，9%，12%和15%BFA的纳米纤维进行体外抗肿瘤活性测试（人肝癌HepG2细胞），细胞生长抑制率在72h分别为64%，77%，80%，81%和85%。结果证明担载BFA的PEG-PLLA纳米纤维（BFA/PEG-PLLA）的对药物BFA 有很好的控释效果，适合癌症的术后化疗。通过乳液电纺方法成功将亲水药物头孢拉定及疏水的药物五氟尿嘧啶装载入PLGA纤维中，同时装载天然蛋白明胶来提高纤维的细胞粘附能力。装载明胶的纤维具有很好亲水性及力学性能，乳液电纺纤维具有低的药物突释效应，具有低的毒性
静电纺丝制备MWNTs 高度取向的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维 刘大伟，李旭，李刚，杨小平 北京化工大学有机/无机复合材料国家重点实验室，北京，100029 CFRP 复合材料在航天航空领域的广泛应用要求其具有良好的强度及韧性[1，2]，然而单向纤维增强树脂基复合材料在垂直于纤维的方向力学性能较差，层间强度低，影响了CFRP 的 整体性能。本课题组采用静电纺丝的方法将MWNTs-Epoxy 预分散在纺丝液中[3]，制备 PSF/MWNTs-Epoxy 杂化的纳米纤维膜，以碳纤维预浸布包覆的辊筒作为静电纺丝的接收器，通过将预浸料按照不同角度铺放于辊筒上以接收纳米纤维,来控制碳纳米管在复合材料中的取向，最终实现复合材料性能的可设计性。我们考察了MWNTs 环氧化改性效果，研究了不同MWNTs-Epoxy 含量对PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维膜微观形貌的影响。研究成果可总结为以下两方面:1)利用纯化、混酸化、环氧化等手段制备了MWNTs-Epoxy 。官能化MWNTs-Epoxy 的环氧基团接枝率为24.87%。MWNTs-Epoxy 在静电纺丝液中分散良好，且静电纺丝液的表面张力和电导率随MWNTs-Epoxy 含量的增加而提高。2)随着MWNTs-Epoxy 含量的升高，通过SEM 、TEM 照片可以看出，PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维的直径逐渐减少，通过取向红外和拉曼谱图研究发现PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维以及嵌于其内部的MWNTs-Epoxy 的取向度逐渐提高。MWNTs-Epoxy 良好的分散于PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维轴向位置。 图 1 5wt% MWNTs-Epoxy 含量的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维取向表征图 （a ）SEM 照片（b ）TEM 照片（c ）取向红外谱图（d ）偏振拉曼谱图 本研究为江苏省自然科学基金（BK2011227）资助 参考文献： [1] Williams JC, Starke Jr EA. Progress in structural materials for aerospacesystems. Acta Metall 2003;51(10):5775–99. [2] Ahmed K, Noor AK, Venneri SL, Donald B, Paul DB, Hopkins MA. Structurestechnology for future aerospace systems. J Comput Struct 2000;74:507–19. [3] Gang Li , Xiaolong Jia , Zhibin Huang , Bo Zhu , Peng Li , Xiaoping Yang , Wuguo Dai. Prescribed morphology and interface correlation of MWNTs-EP/PSF hybridnanofibers reinforced and toughened epoxy matrix, Materials Chemistry and Physics 134 (2012) 958-965 10μm 10μm (a) (b) (c) (d) 10μm
开题报告 应用化学 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 一、选题的背景与意义 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。由于能直接、连续制备聚合物纳米纤维，因而成为国内外的研究热点。利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维是今年来发展起来的一项新的技术，然而由于导电高分子具有不溶，不熔的特点，利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维过程中遇到了许多困难，主要的问题在于：第一，导电聚合物刚性结构的特性使得静电纺丝过程难以进行；第二，大多数关于静电纺丝制备导电聚合物纤维的研究和应用仅仅处于实验室阶段，因此，必须通过更加深入的研究来探索静电纺丝技术制备聚合物纤维的最科学、最有效的方法，这将作为一个刺激，来实现在工业中大规模生产可控、可重复利用的静电纺丝聚合体纤维。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 综述利用静电纺丝技术制备导电聚合物纳米纤维的方法及相应的导电聚合物纤维的用途，综合对比各种方法的优缺点。 制备聚2乙烯基吡啶纳米纤维，利用它作为模板制备聚吡咯纳米纤维，尝试新的合成导电聚合物纳米纤维的方法。 三、研究的方法与技术路线： 合成聚2乙烯基吡啶，将2-乙烯基吡啶在引发剂存在聚合，产生聚2-乙烯基吡啶。 将聚2-乙烯基吡啶同氯金酸混合后，通过静电纺丝直接在高压下纺成纳米纤维。 上述纳米纤维在吡咯蒸汽中进行气相聚合，制备成核壳结构的聚吡咯纳米纤维。四、研究的总体安排与进度： 2010.07.08至2010.07.11：翻译文献，熟悉实验流程，设计实验步骤； 2010.07.12至2010.08.10：通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维；2010.11.08至2010.12.25：完成文献综述，文献翻译和开题报告； 2011.04.18至2011.05.08：撰写论文，准备答辩； 2011.05.12至2011.05.19：论文答辩。 五、主要参考文献： [1].Ioannis S. Chronakis , Sven Grapenson , Alexandra Jakob . Science Direct
TiO2纳米纤维薄膜的制备及其光催化研究杭州师范大学材料与化学化工学院应化081班 应用化学专业林洁指导老师：叶映雪 摘要二氧化钛是对光催化非常有用的最好半导体光催化剂中的一种。在这篇文献中，我们通过快速淬灭的静电纺丝处理过程来制备二氧化钛纳米纤维薄膜。制备的薄膜由连续的并且多孔的锐钛矿二氧化钛纳米纤维组成，该纳米纤维的直径大小为60-115nm。同时，我们得到了一种最佳的淬灭方法。光催化测量研究表明，锐钛矿TiO2纳米纤维薄膜的光催化效率为72%，这远远高于锐钛矿TiO2薄膜的光催化效率（44%）。我们认为，大的而且特殊的表面积大大地提高了光催化反应性能，同时，较好的形状保留特性使其具有了很好的恢复性和实用性能。在这里，我们将讨论其对环境净化的潜在应用。 关键词纤维技术静电纺丝纳米材料纳米纤维光催化活性 1.引言 由于二氧化钛具有很高的光活性、久耐光性、化学和生物惰性、机械稳固性和价格低廉等优点，其过去常常被认为是可作为光催化[1]的最好半导体光催化剂中的一种。由于光催化反应主要发生在催化剂的表面，高的表面积和体积比对于增加分解速率具有非常重要的意义。TiO2纳米粒子和纳米晶状薄膜已经展示了非常高的光催化活性[2,3]。就这些形式的TiO2而言，虽然已经取得了很大进展，但是纳米粉末具有很低的恢复性和回收利用性限制，纳米薄膜具有很小的接触面积，故此将其用于商业用途还存在着很大瓶颈。纳米纤维有望解决这些问题，因为其结合了纳米粉末和薄膜两者的特点，如连续性和容易制备成多孔透气的纳米纤维薄膜，同时又是由纳米晶体构成的[4]。然而，据我们所知，先前的研究主要聚焦于利用静电纺丝制备技术制备TiO2纳米纤维[5,6]，虽然在250nm TiO2纤维[16]方面已经做了很多工作，但是对于直径小于100nm的TiO2纳米纤维的光催化性质却只有非常少的经验研究。 制备TiO2纳米粉末[7,8]\、纳米管[9]和纳米线[10]的方法有很多种，但是用于制备TiO2纳米纤维却仅仅只有几种，如静电纺丝技术[5]\、水热法[11]等等。其中，静电纺丝技术可用于制备直径从几十到几百纳米[12]连续变化的纤维方面，而且已经成为了一种成熟的方法，从而很容易得到用于水净化的多孔透水纳米纤维薄膜。 在这篇文献中，通过使用快速淬灭过程的静电纺丝处理技术以制备TiO2纳米纤维纤维
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 3 (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米。介绍了电 纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米Π纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:036726358(2005)052313204 Electrospinning T echnique and Its Application SHI Qi 2s ong , Y U Jian 2xiang , G U K e 2zhuang , MA Chun 2bao , LI U T ai 2qi 3 (Department o f Material Science and Engineering ,Beijing Institute o f Petro 2chemical Technology ,Beijing 102617,China ) Abstract :E lectrospinning is a new technique ,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper ,the theory of electrospinning technique ,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique ,such as the preparation of micro Πnano tubes with controlled lengths and super 2purification filtering materials ,was reviewed. K ey w ords :nanometer material ;nanofiber ;electrospinning ;application 收稿日期:2003211214;修回日期:2004201212 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ 00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR 2016002)作者简介:师奇松(1977～),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E 2mail :liutaiqi @https://www.doczj.com/doc/7c12005952.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上 的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的 方法[1-3] 。1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维。而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不 同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是T aylor 锥。当电场力
综述与专论 合成纤维工业,2009,32(4):48CH I NA SYNTHETI C FI BER I NDUSTRY 收稿日期:2008 09 17;修改稿收到日期:2009 05 27。作者简介:董晓英(1956 ),教授。从事纳米材料的教学和科研工作。 静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用 董晓英1 董 鑫 2 (1.江苏技术师范学院,江苏常州 213001;2.慕尼黑大学,德国慕尼黑 80539)摘 要:简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理;探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条 件;介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景,进一步实现低压纺丝、开发无毒溶剂,控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。 关键词:静电纺丝 纳米纤维 工艺 生物 医药 应用 中图分类号:TQ 340.64 文献识别码:A 文章编号:1001 0041(2009)04 0048 04 静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效方法,其装置简单,成本低廉,供选择的基体材料和所载药物种类众多,可通过改变电压、流速、接 收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌,从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生物、医药方面有着广泛的应用。1 静电纺丝及其工艺条件 静电纺丝技术最早报道于1934年的美国专利[1] ,发明人For mhals 用静电斥力的推动成功纺出醋酸纤维素纤维,溶剂为丙酮和乙醇。后来,For mha ls 改进了静电纺丝设备,通过多个针头纺丝或复合纺丝 [2] 。 1969年,英国Taylor [3] 研究了强电场作用下 水/油界面的形成。首先,从理论计算上考虑电场、重力和溶液粘度的影响,建立了锥状物模型,即在高压电场下溶液喷出前的形状称为Tay lor 锥。Tay l o r 还根据其模型计算了喷出时的临界锥角为98.6 。 静电纺丝纤维喷出针头后,在空中弯曲回转,最后落在接收器上,给人多股纤维同时喷出的印 象。阿克隆大学的Dosh i 等[4] 假设带电高分子溶液在喷出后互相排斥,克服表面张力而分裂成若干股纤维,落到接收器上形成无纺纤维毡。但是 麻省理工学院的Shin 等[5]和以色列的Yari n [6] 等通过高速成像,只有1股纤维从喷丝口喷出,然后在电场力作用下快速弯曲旋转,给人以很多股纤维的假象。1971年,杜邦公司的B au m garten [7] 研究了纺丝工艺参数对丙烯酸在N,N 二甲基甲酰(D M F)胺溶液中静电纺丝纤维直径的影响。纺 丝工艺参数主要包括喷射距离、溶液粘度、环境气体、流速和电压等。 1.1 电压 足够的电压是形成连续稳定纤维的先决条件。如果电压过小,则产生静电喷射,形成独立的珠状物。随着电压的增加,逐渐形成串珠结构,电压进一步增大,串珠逐渐减少,直至形成连续稳定 的纤维。Deitzel 等[8] 研究了聚氧化乙烯(PEO )/水体系中电压对喷丝口Tay lor 锥表面的影响。结果表明,当电压较小时,Tay lor 锥形成于针头外悬挂液滴的表面;随电压增加,液滴体积逐渐变小,直至液滴和Tay lor 锥相继消失。同时,纤维上串珠的分布密度也随电压增大而增加。因此,一般适宜电压为10~25kV 。1.2 流速 流速是影响静电纺丝纤维形貌的另一重要参数。M ege lski [9] 等研究了静电纺丝流速对聚苯乙烯/四氢呋喃(THF)体系的影响,随着流速增大,纤维直径增加,纤维表面的孔径也增大。同时,流速增大也促进了更明显的串珠结构,其原因是溶剂在到达接受装置前不能完全挥发。目前所采用的流速为1~3mL /h 。1.3 接收距离 接收距离也会在一定程度上影响静电纺丝的 纤维形貌。Jaeger [10] 等研究了PEO /水溶液的静电纺丝行为,随着接收距离由1c m 增大到3.5c m,纤维直径从19 m 下降到9 m 。根据M egel
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景 引言： 术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。 1静电纺丝的基本原理 在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。
静电纺丝技术及其研究进展*杨恩龙 王善元 李 妮 赵丛涛 (东华大学纺织学院,上海,201620) 摘 要:静电纺丝是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法。概述了静电纺丝技术及其发展历程,静电纺丝射流的稳态和非稳态的研究成果。介绍了静电纺丝机、静电纺丝技术的新进展及静电纺纳米纤维膜的应用。最后指出静电纺丝的研究方向。 关键词:静电纺丝,纳米纤维,进展 中图分类号:TQ340.6;TS176 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2007)08-0007-05 近几年来,由于纳米材料研究的迅速升温,激起了人们对静电纺丝(又称电纺)进行深入研究的浓厚兴趣。和拉伸、相分离等方法相比,静电纺丝已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法。静电纺纳米纤维的发展历程见表1。 1 静电纺丝技术 1.1 静电纺丝的基本原理 使聚合物溶液或熔体带上高压静电,当电场力足够大时,聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流拉伸细化,同时弯曲、劈裂,溶剂蒸发或固化,沉积于基布上形成纳米纤维膜。 1.2 静电纺丝的影响因素 静电纺丝的影响因素列于表2。 1.3 静电纺丝的优缺点 静电纺丝法简单、易操作。但是有如下缺点:第一,静电纺丝难以得到彼此分离的纳米纤维长丝或短纤维;第二,目前静电纺丝机的产量很低;第三,静电纺纳米纤维的强度较低。 2 静电纺丝机 2.1 喷丝头与收集板垂直排布的静电纺丝机 喷丝头与收集板垂直排布(立式)的静电纺丝 *国家自然科学基金资助项目(10602014) 收稿日期:2006-10-26 作者简介:杨恩龙,男,1980年生,在读博士研究生。主要从事静电纺纳米纤维的研究工作。 表1 静电纺丝的发展历程 年 份发 展 历 程 1934 Fo r mha ls申请了制备聚合物超细纤维的 静电纺丝装置专利[1] 1966 S i m ons申请了由静电纺丝法制备超薄、 超细非织造膜的专利[2] 1981 L arrondo等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔 融静电纺丝的研究[3] 1995 R eneker研究组开始对静电纺丝进行研 究。静电纺丝迅速发展[4] 1999 Fong等对静电纺丝纳米纤维串珠现象及 微观结构作了研究[5~6] 2000 Spivak等首次采用流体动力学描述静电 纺丝过程,并且提出了静电纺丝的工艺 参数。R eneker等研究了静电纺丝过程 的不稳定性[7~8] 2003 全面系统地研究静电纺丝超细纤维微观 形貌的影响因素、表征、过程参数的改 进,以及静电纺丝制取纳米纤维后通过 煅烧制备无机氧化物超细纤维等 2004~2006 开发静电纺纳米纤维的原料。多组分聚 合物的静电纺丝。静电纺丝和其他方法 结合开发新型纳米纤维。捷克利贝雷茨 技术大学与爱勒马可(EL M ARCO)公司 合作生产的纳米纤维纺丝机 纳米蜘蛛 问世 机[9],主要用于静电纺丝的基础研究。 2.2 喷丝头与收集板水平排布的静电纺丝机 喷丝头与收集板水平排布的静电纺丝机(卧
静电纺丝技术的工艺原理及应用 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质，从而为高分子成为纳米功能材料提供了一种新的加工方法。由于纳米纤维具有许多特性，例如纤维纤度细、比表面积大、孔隙率高，因而具有广泛的应用。 1、静电纺技术 静电纺是一项简单方便、廉价而且对环境无污染的纺丝技术。早在20世纪30年代，Formals A就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝，但是直到近些年，由于对纳米科技研究的迅速升温，激起了人们对这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术进行深入研究的浓厚兴趣。 1.1 静电纺技术的基本原理 静电纺丝技术(Electrospinning fiber technique)是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。对聚合物纤维电纺过程的图式说明见图1。 静电纺丝机的基本组成主要有3个部分：静电高压电源、液体供给装置、纤维收集装置。静电高压电源根据电流变换方式可以分成DC／DC和AC／DC两种类型，实验中多用IX；／DC电源。液体供给装置是一端带有毛细管的容器(如注射器)，其中盛 有高分子溶液或熔体，将一金属线的一端伸进容器中，使液体与高压电发生器的正极相连。纤维收集装置是在毛细管相对端设置的技术收集板，可以是金属类平面(如锡纸)或者是旋转的滚轮等。收集板用导线接地，作为负极，并与高压电源负极相连。另外随着对实验要求的提高，液体流量控制系统也被渐渐的采用，这样可以将液体的流速控制得更准确。电场的大小与毛细管口聚合物溶液的表面张力有关。由于电场的作用，聚合物溶液表面会产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时，毛细管口的流体半球表面会被拉成锥形，称为Taylor锥。进一步增加电场强度，是用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值，此时带电射流从Taylor锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过不稳定拉伸过程，
超疏水静电纺丝纳米纤维 摘要：这篇文章介绍了最先进的静电纺丝纳米纤维的科技发展，以及它在自清洁簿膜、智能响应材料和其他相关领域的应用。超疏水自清洁，也成为“荷叶效应”，就是利用表面化学结构和拓扑学的正确结合，在表面形成了一个非常大的接触角并且通过重力使水带着表面上的污垢、颗粒以及其他污染物离开表面。本文简单介绍了超疏水自清洁的理论和静电纺丝过程中的基本原则，为了生成超疏水自清洁表面还讨论了静电纺丝过程的各种参数，这些参数可以有效的控制疏水实体的多渗透性结构的粗糙度，静电纺丝在纳米尺寸上的主要原则以及在通过静电纺丝合成一维材料时存在的困难也被完全的隐藏。另外，本文还比较了不同的静电纺丝纳米纤维的超疏水性能以及它们的科技应用。 关键字：超疏水静电纺丝纳米纤维性能应用展望
Superhydrophobic electrospun nanofibers Abstract: This review describes state-of-the-art scientific and technological developments of electrospun nanofibers and their use in self-cleaning membranes, responsive smart materials, and other related applications. Superhydrophobic self-cleaning, also called the lotus effect, utilizes the right combinations of surface chemistry and topology to form a very high contact angle on a surface and drive water droplets away from it, carrying with them dirt, particles, and other contaminants by way of gravity. A brief introduction to the theory of superhydrophobic self-cleaning and the basic principles of the electrospinning process is presented. Also discussed is electrospinning for the purpose of creating superhydrophobic self-cleaning surfaces under a wide variety of parameters that allow effective control of roughness of the porous structure with hydrophobic entities. The main principle of electrospinning at the nanoscale and existing difficulties in synthesis of one-dimensional materials by electrospinning are also covered thoroughly. The results of different electrospun nanofibers are compared to each other in terms of their superhydrophobic properties and their scientific and technological applications. Key words: superhydrophobic; electrospinning; nanofibers; properties; applications; outlook
静电纺丝即在高压静电下用聚合物溶液进行纺丝的过程。静电纺丝可以制备直径在几十到几百纳米的纤维，产品具有较高的孔隙率和较大的比表面积，成分多样化，直径分布均匀，在生物医学、环境工程以及纺织等领域具有很高的应用价值。 原理 将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。 当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。在细流喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。
装置 静电纺丝的装置主要由推进泵、注射器、高压电源以及接收装置组成。其中，高压电源的正极与负极分别与注射器针头和接收装置相连，而接收装置的形式也是多样化的，可以是静止的平面、高速转动的滚筒或者圆盘。纺丝的参数设置、环境条件等对纺丝过程的影响至关重要。 高聚物
目前静电纺丝技术已经可用于几十种不同的高分子聚合物，既包括聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈等柔性高聚物的静电纺丝，也包括聚氨酯弹性体的静电纺丝以及液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等的静电纺丝。 影响因素 静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多，这些因素可分为溶液性质，如黏度、弹性、电导率和表面张力；控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之间的距离；环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。 溶液黏度对纤维性能的影响 同轴静电纺丝
同轴静电纺是在静电纺的基础上改造而来，其基本原理是在两个内径不同但同轴的毛细管中分别注入芯质和壳质溶液，二者在喷头末端汇合，在电场力的作用下固化成为复合纳米纤维。 同轴静电纺丝解决了纺丝时纺丝液必须是均一体系的缺陷，所制备的同轴纤维在均匀性、连续性上都优于其它方法得到的纤维。采用同轴静电纺丝的方法可以制得中空纤维和纳米复合纤维等。 应用
近年来，由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的损坏和功能缺失，如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题。 要使缺损的组织和器官得以修复和重建，其过程是构建有生物活性的细胞支架材料，这种支架可以载有生长因子或本体细胞，植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时，细胞增殖并形成新的组织，从而修复缺损组织替代器官，支架材料或作为一种体外装置，暂时替代器官功能，达到提高生命质量，延长生命的目的。 自20世纪60 年代以来，对于药物控制释放体系的研究，受到研究者的广泛关注。与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点，除提高药物治疗的准确性、有效性、安全性外，还明显降低了药物的生产成本和不良反应，药物控制释放材料的研究得到迅速发展，其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术的研究热点。 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控，在一定尺度上通过调控聚合过程或加工工艺，可易于改变或调节材料的物化性能，因此把组织工程学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来，合成具有生物相容性和刺激响应性的生物功能材料，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。
静电纺丝作为一种简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术，其技术核心是将具有一定粘度且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂，终固化成微纳米级纤维状物质的过程。 静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点，能够满足组织工程中细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求，而且具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞增殖有良好的适配性，可有效模拟细胞外基质环境，同时比膜状材料更有利于细胞粘附。 国内纳米纤维和静电纺丝技术正在蓬勃发展，科研发文数量一直位居全球首位。近年来，电纺纤维及其纤维膜由于高的比表面积，高的孔隙率以及形貌可控等优点在伤口愈合方面引起了很多关注，电纺纤维膜一方面能够物理隔绝病毒和细菌，又能够透气保湿，给伤口营造一个良好的愈合环境。 另一方面，电纺纤维的直径以及纤维膜的孔径与细胞外基质的尺寸相仿，能够促进细胞生长，加速伤口愈合速度，减少疤痕产生，因此在创伤敷料方面有独特的优势。 但大多数电纺敷料通常是经过先制备再应用的过程，容易对伤口造成二次创伤。原位电纺目前是一种较为理想制备及应用电纺敷料的方法。便携式手持静电
静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用 戚妙北京永康乐业科技发展有限公司 １．静电纺过滤材料简述 一般说来，人们对于过滤材料原材料的甄选基本会在以下几种材料中进行：天然纤维、合成纤维、玻璃纤维、陶瓷、矿物等等[1-2]。按照不同的加工工艺这些过滤材料可分为以下几类[3]：①机织物、针织物、编织网和纤维束等；②纺粘和熔喷无纺布；③多孔陶瓷材料；④有机膜和无机膜材料； ⑤静电纺丝材料。 传统纤维过滤材料是直通的孔隙，其孔隙率也只有30%～40%[4]。从生产工艺流程角度审视，传统纤维织造过滤材料流程长，产品的生产效率低，主要通过经纬纱之间的孔隙进行过滤，滤料本身产生的阻力也比较大；且织造成型的过滤材料必须在其形成粉尘层之后，才能起到阻挡较小颗粒状物质的作用，如果过滤材料还没有形成粉尘层、过滤层清灰或者其它原因破坏了滤料的粉尘层时，就会导致传统纤维滤料的过滤效率大幅下降。 在过滤材料上运用静电纺丝技术有非常多的优点，现将其归纳成以下几个方面[5-9]。 （1）纤维直径小，均一性好。提高纤维滤材过滤性能的有效方法之一就是降低其纤维的直径，因为对于由直径数十微米的纤维制备出的纤维过滤器，随着纤维直径的降低滤材的过滤效率会得到提高。 （2）小孔径、高孔隙率及高通量。运用静电纺丝技术的纤维孔隙率可达80%～90%，这种结构的滤材在有效地去除亚微米级别以及微米级别的颗粒的同时，对水流只会产生较小的阻碍比。 （3）大比表面积、强吸附力。静电纺纤维有非常大的比表面积，这种结构大大地增加了颗粒沉积在纤维滤材表面的几率，这会对过滤的效果产生巨大的改观。其次，当过滤的颗粒非常小时，这些细小的颗粒会堆积在膜表面，产生所谓的“层效应”，也会使得静电纺丝薄膜的有效孔径尺寸显著下降。 （4）可再生性、节约环保。在实际的过滤过程中，大部分的杂质会留在静电纺丝薄膜的表面，只有其他很少的一部分颗粒会在静电纺薄膜内部和底部沉积，这就决定了该过滤材料方便清洁的特性，它的可持续再生的吸附功能有利于环保要求并会降低成本。 （5）低成本、种类多及工艺可控。静电纺丝已经是高效制备纳米级纤维材料的主要途径之一，它的优点甚多，可纺物质种类涵盖广、生产制造的装置简单、纺丝成本低廉、纺丝工艺可控等等。静电纺丝技术已经成功制备出多种纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。 目前应用静电纺丝技术的纳米纤维过滤材料已经可以应用于诸多高要求的过滤领域，其对直径在0.3um以下的颗粒，过滤效率可达到99.97%以上，也由于它出色的过滤精度，该材料具备了广泛应用于电子、生物、医药和防护等领域的前景[10]。 2.静电纺丝在过滤材料的应用 根据不同的应用领域可将对于静电纺丝过滤材料的研究分为以下三个方面： 2.1气体过滤
影响静电纺丝制备纳米纤维的因素有哪些？ 静电纺丝技术是制备纳米纤维的有效方法之一，影响因素较多，工艺较难控制。那么影响静电纺丝制备纳米纤维的因素有哪些呢？ 纺丝温度对静电纺丝的影响是多方面的，升高温度有利于溶剂的挥发，使射流在电场中快速固化，使纳米纤维直径增大另一方面，纺丝温度变化还会直接影响纺丝液的粘度、表面张力及导电性，比如升高纺丝温度，纺丝液的粘度和表面张力均减小，导电率提高，加快射流分子链的运动速度，在电场力的作用下，射流不稳定性增强，容易形成珠结。 湿度对静电纺丝的影响主要表现在湿度会改变溶剂的挥发性，湿度升高会降低溶剂的挥发速率，湿度降低会增加溶剂的挥发速率，因此，可以通过调节环境湿度对纺丝所得的纳米纤维形貌进行调控。 当所施加的电压不同时，为打破表面张力与电场力的平衡，毛细管顶端的液滴将会产生不同的表面形状，影响然后所产生的喷射液滴及细流尺寸的分布情况、纤维形态和其所传导的电流大小。 纺丝液性质——包括纺丝液的分子质量、浓度、粘度、电导率、表面张力、比热、相变热等。 生产条件——包括施加的电场强度电压纺丝速度、喷丝头与收集板之间的收集距离、纺丝温度、毛细孔直径等。 环境参数——包括室温、湿度、环境气流速度等。 纺丝液粘度直接影响静电纺丝所得的纳米纤维的形貌和性质。纺丝液粘度越大，聚合物分子链越易缠结，射流越不稳定，纺丝难度较大，不易制得直径分布均匀的纳米纤维但是粘度小无法形成射流，只能形成微滴。 静电纺丝过程中，纺丝液由于表面电荷的静电斥力产生射流，在电场力作用下拉伸、固化成膜，因此纺丝液的导电性对纺丝效果有直接影响。选择导电性高的溶剂是最简单直接的方法，或者可以通过向纺丝液中加入无机盐、有机盐、离子液体及导电金属粒子来提高纺丝液的导电性。 静电纺丝过程中，当静电斥力大于溶液的表面张力时纺丝液才会形成射流。纺丝液的表面张力不仅影响泰勒锥的形成，而且还影响射流在高压场中的运动及分裂，对纤维的形貌有决定性作用。表面张力有减小液体表面积的作用，使纺丝液射流变成球形，而高压电场中的电场力以及纺丝液的黏弹力会抑制射流形状的快速变化，从而有利于形成光滑且均一的纤维。 接收距离直接影响电场强度和射流在电场中的飞行和拉伸时间。接收距离小，电场强度会增大，电场力对射流的拉伸作用随之增强，有利于形成直径较小的纳米纤维但是同时也会减小射流拉伸时间，导致溶剂未完全挥发，难以制备直径均匀的纳米纤维。 若纺丝液的喷射速度非常小，无法在喷丝口形成泰勒锥，也即无法进行静电纺丝。随着纺丝液喷射速度增大至某一最佳值时，泰勒锥形成后会不断旋转直至接收板上，喷射过程的间隔时间能充分的将溶剂挥发掉，制备直径较小且分布均匀的纳米纤维；当纺丝液喷射速度过大，射流内部的溶剂含量增大以致无法完全挥发，残余的溶剂使纤维粘结，纤维出现很多珠结。